CN111717678B - 一种取料作业过程中的防止塌料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种取料作业过程中的防止塌料的方法，包括：根据悬臂回转角度和当前作业物料层的层厚计算所述悬臂基础回转速度；根据所述物料堆点云坐标计算塌料可能性，所述塌料可能性由斗轮取料面宽度坐标一定时，最高点和最低点连线的斜率角表征；根据所述斜率角与判断阈值的比较结果，对所述悬臂基础回转速度进行调节以实现实际悬臂回转速度的降低。本发明有效降低取料作业过程中发生塌料事故的风险。在塌料的易发位置，自动给出预防性动作。当离开塌料易发位置后，自动恢复正常的悬臂回转速度。

Description

一种取料作业过程中的防止塌料的方法

技术领域

本发明涉及工程控制领域，具体而言，尤其涉及散料堆场的斗轮式取料机/堆取料机在取料作业时，一种先验性的防止塌料的方法。

背景技术

目前散料料场的主要取料方式仍然依靠取料机，而其中斗轮式取料机/堆取料机的应用则更为广泛。随着料场堆取料设备的全自动化作业的普及，作业过程的安全性越来越受到全自动化供应商和料场业主的关注。在斗轮式取料机/堆取料机取料作业的工程应用中，难以避免地会出现塌料现象。轻微的塌料事故并不影响取料作业，但较为严重的塌料事故将严重降低取料作业的安全性和效率，且有可能降低取料设备的使用寿命。目前针对塌料事故的解决方法，主要分为两大类：滞后性的补偿性方法、先验性的预防性方法。

对于滞后性的补偿性方法，现行通用的做法均是通过检测斗轮电机的电流或转矩(斗轮液压马达的压力值)，发现电流或转矩(压力值)异常过大后，通过PLC系统对斗轮式取料机/堆取料机进行鸣笛报警和回转降速。这种方法做到了在已经发生塌料事故后的尽快补救响应，以免塌料造成严重的作业事故(例如损坏斗轮驱动装置、取料机倾翻等)。但这种方法非常明显的缺陷即是：无法预防塌料发生。这种事故发生后再进行补救的方式，不仅无法有效保障安全作业，而且无法保障连续作业，在一定程度上降低了生产效率。

对于先验性的预防性方法，工程上较少采用，但在专利《预防料堆塌方的装置》(专利号：201621165369.9)中被提及。该专利阐述了一种可以预防料堆塌方的装置。即通过在斗轮头部附近安装测距传感器，通过检测的水平距离值来判定是否有塌方的风险。但该专利所述方法仅靠水平距离值来预防塌料，未考虑上层物料的高度和倾角，这样的预防方法对于顶层物料尤其是不规则形态的顶层物料的预防效果并不够理想。这是因为，对于不规则料堆的顶层而言，表面起伏不定，即不同的回转角度均对应不同的层高值，有时某一回转角度对应的层高值较大，倾角也较大，此时单纯依靠水平测距，不能有效地规避塌料风险。

因此在现行的工程应用和技术研究领域，尚无一种相对比较完善的预防塌料的方法。

发明内容

根据上述提出的缺少规避塌料风险手段的技术问题，而提供一种取料作业过程中的防止塌料的方法。本发明以有效降低塌料事故发生的风险，使料场内的取料作业更为安全可靠。

本发明采用的技术手段如下：

一种取料作业过程中的防止塌料的方法，包括：

根据悬臂回转角度和当前作业物料层的层厚计算所述悬臂基础回转速度，其中所述悬臂回转角度根据斗轮机的三维坐标以及物料的点云坐标获取，所述当前作业物料层的层厚根据所述悬臂回转角度以及斗轮机的三维坐标获取；

根据所述物料堆点云坐标计算塌料可能性，所述塌料可能性由斗轮取料面宽度坐标一定时，最高点和最低点连线的斜率角表征；

根据所述斜率角与判断阈值的比较结果，对所述悬臂基础回转速度进行调节以实现实际悬臂回转速度的降低。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够有效降低取料作业过程中发生塌料事故的风险。在塌料的易发位置，自动给出预防性动作。当离开塌料易发位置后，自动恢复正常的悬臂回转动作。这种自动化的预防塌料的方法能够在确保作业安全的基础上兼顾作业效率，迎合了料场和堆取料机的智能化发展趋势。

基于上述理由本发明可在斗轮机系统中广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为实施例中斜率角提取示意图。

图3为实施例中塌料可能性计算流程图。

图4为实施例中当前作业物料层的层厚与悬臂回转角度对应关系。

图5为实施例中悬臂回转速度与悬臂回转角度对应关系。

图6为实施例中取料机的防塌料装置示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种取料作业过程中的防止塌料的方法，其特征在于，包括：

S1、根据悬臂回转角度和当前作业物料层的层厚计算所述悬臂基础回转速度，其中所述悬臂回转角度根据斗轮机的三维坐标以及物料堆点云坐标获取，所述当前作业物料层的层厚根据所述悬臂回转角度以及斗轮机的三维坐标获取。

在此步骤中，利用前端的图像采集及处理装置采集物料堆的点云三维坐标数据，装置安装在斗轮机检修台上，其拍摄范围应尽量涵盖整个物料堆。具体的三维坐标数据的提取步骤，可参考申请号为2020104271243的中国专利，此处不再赘述。

斗轮机的三维坐标也称为斗轮机的三维模型，其提取过程包括：由管理者首先确定本堆物料的分层数(比如分3层作业)，并确定当前应该作业的物料层(比如选择了最顶层进行取料作业)，那么最终就可以确定斗轮机本次作业的俯仰角度，其中俯仰角度对应斗轮机悬臂头部的高度。此时，任选一种常规的机器人三维建模方法，确定斗轮机机型的关节和轴，进行坐标变换，最终得到斗轮机悬臂前端斗轮体外缘上的最低点X的三维坐标，将点X沿斗轮体的旋转方向旋转90°，则点X的长、宽、高中每个维度的坐标均可得到一个坐标向量，再将每个维度的坐标向量沿悬臂回转方向旋转90°，则点X的每个维度的坐标向量即可变为坐标矩阵。提取3各维度的坐标矩阵构成斗轮机的三维模型。斗轮机的建模方法并不唯一，本申请实施例中采用机器人建模方法中的D-H算法进行建模计算。由于该算法为已有技术，此处不再赘述。在斗轮机的建模过程即可确定斗轮机坐标为(Xx，Yy，Zz)，即可提取其与待取料位置对应的悬臂回转角度α。

根据悬臂回转角度α以及斗轮机的三维坐标获取当前作业物料层厚度H，主要包括：第①步，料场管理者根据料堆实际情况确定料堆的分层数，比如，料堆共16米，管理者确定分层数后，则每层的高度范围也就确定了，即最底层高度范围为0～5米、第二层高度范围为5～10米，最顶层高度范围为10～16米。第②步，根据料场管理者的取料意图确定当前作业层，比如确定对最顶层进行取料作业。第③步，比如要取最顶层(10～16米)的料，已知当前的回转角度为α，则根据斗轮机的三维坐标中的前两维坐标，即斗轮机的长度坐标矩阵和宽度坐标矩阵，找到物料三维点云坐标中对应于上述长度坐标和宽度坐标的点。具体地，例如斗轮机三维坐标为(Xx，Yy，Zz)，根据确定的目标取料位置和斗轮机的建模过程，可以计算得到斗轮机当前坐标对应的回转角度，则在10～16米的高度范围内，寻找长度坐标为Xx且宽度坐标为Yy的物料的三维坐标(Xx，Yy，Zmax)，即可找到悬臂回转至α角度时，对应的物料层厚H＝Zmax-10。其中，10为所选定的作业层的高度下限值，即是10～16米的高度范围中的10。

悬臂基础回转速度根据悬臂回转角度和当前作业物料层的层厚通过以下计算获得：

其中：V_α是悬臂回转速度，单位为米/秒(m/s)；Q是设定的流量，单位为吨/小时(t/h)；C是走行机构的进尺量，单位为米(m)；H是当前作业物料层的层厚，单位为米(m)；ρ是物料的密度，单位为吨/立方米(t/m3)；α是悬臂回转角度，单位为度(°)。

目前工程实际中对该公式的应用中，通常将

认定为一常数K，进而将上述回转速度的计算公式简化为：

对于特定物料层而言，现有的悬臂回转速度的计算，仅与悬臂的回转角度有关。这种做法，对于标准料堆而言适用性较好。但对于不规则料堆而言，适用性并不理想，这是因为对于不规则料堆的特定作业层，悬臂不同的回转角度对应的层高H是不同的。本发明利用物料点云三维坐标数据，可以计算出不同的悬臂回转角度对应的层厚H，这使得对于回转速度V_α的计算更为准确。

S2、根据所述物料堆点云坐标计算塌料可能性，所述塌料可能性由斗轮取料面宽度坐标一定时，最高点和最低点连线的斜率角表征。

在该步骤中，根据物料点云三维坐标数据进行塌料可能性的计算。计算原理示意如图2所示，图中的规则弧线AC即是斗轮取料面(侧视)，将三维模型与料堆的三维点云数据进行相交处理，即可得到特定宽度坐标Y下的A点和C点，其中A点是相交数据中高度最小者，C点是相交数据中高度最大者。对于某一特定的宽度坐标Y，分别提取高度值最小点的坐标A(X1，Y，Z1)，并在该宽度坐标值Y下，长度坐标范围X1～XC+L内检索高度值最大点的坐标B(X2，Y，Z2)，计算上述两点连线的斜率角θ的值，若|θ|＞L_TH，则适当降低悬臂回转速度。其中L_TH是判断阈值，单位是度。该值的选取应考虑实际物料的密度及黏度等特性，建议结合物料的化验结果和现场实际运行经验进行选取。该算法的执行流程如图3所示。本发明实施例中使用的阈值是60°。本发明中所应用的斗轮机设备如果斗轮的旋转速度是可调的，亦可适当降低斗轮旋转速度来降低悬臂回转速度。考虑到物料属性及堆取料设备的机械、电气和液压等特性，降速的方法和原则并不唯一，但不管采用何种原则进行降速，都应把降低后的速度值从“塌料预防(即塌料可能性)算法的计算装置”传输到“实施预防动作的执行装置”，实施预防动作的执行装置将依据降低后的速度值，调整回转变频装置和斗轮变频装置的参数，最终实现悬臂回转和斗轮旋转的降速运行。

需要说明的是，“L”表示距离，单位是米。该值是取料工程控制中普遍认可的较为安全的作业距离。该距离的取值并不唯一，可以视物料属性的不同，适当调整该值。例如，如果物料的黏度较大，该值可以适当减小；如果物料的黏度较小，该值可以适当增大。本发明实施例中该值取为2米。

S3、根据所述斜率角与判断阈值的比较结果，对所述悬臂基础回转速度进行调节以实现实际悬臂回转速度的降低。

本步骤中，对于步骤S1中悬臂回转速度的计算结果加入调整系数使得：

其中：k'是回转速度的调整系数，有利于在工程应用中快速调节回转速度，尤其有利于全自动化取料作业时，在操作界面快速调节悬臂回转速度。调整系数可以是管理者人为输入的一个数值。但对于该系数，有如下两条限制：①该值不小于0，即回转速度不允许是负值；②如果管理者输入的系数值过大，使回转速度超过了斗轮机的最大回转速度，则应警示管理者并维持现有回转速度运行，也即，算法拒绝接受不合理的k'值。斗轮机的最大回转速度是设备的固有参数，可查询斗轮机设备手册。

实施例1

如图6所示，为一种应用上述取料作业过程中的防止塌料的方法的斗轮机系统。其中1代表取料机电气室(室内含机上PLC控制系统)；2代表以太网交换机；3代表图像数据处理装置；4代表图像数据采集装置，其中3和4共同组成“前端的图像采集及处理装置”；5代表卷筒滑环箱；6代表电缆卷筒；7代表地面接线箱；8代表中控室(室内含中控PLC系统)；9代表以太网交换机；10代表塌料预防算法的计算装置；11代表中继器；12代表回转变频器；13代表回转编码器；14代表俯仰编码器；15代表中继器；16代表走行编码器；17代表走行变频器；18代表走行变频器。

塌料预防算法的运行装置安装在中控室中，也可以安装在取料机上。本实施例中，回转编码器、俯仰编码器、走行编码器均用于检测取料机的姿态(走行位置、俯仰角度、回转角度)，这些检测结果将配合取料机的模型计算，但是取料机姿态的检测手段并不唯一，例如采用编码器进行检测，亦可以使用北斗定位系统、格雷母线系统、倾角仪等技术手段进行姿态检测。

实施例的控制流程简述如下：由前端的图像采集及处理装置(图4中的3和4所示)采集并处理料场表面三维点云数据，将这些点云数据传输至中控室内的塌料预防算法的计算装置10中。取料机上的姿态检测元件代表回转编码器13、俯仰编码器14以及行编码器16的检测值传输至机上电气室内的PLC系统，电气室内的PLC系统连接中控室的PLC系统，以便数据交互。塌料预防算法的计算装置实时从PLC系统读取取料机的姿态值，结合取料机的数学模型和塌料预防算法，得到预防塌料的控制方案。

图4是作业层料堆与斗轮取料面的交线，从图4中可见不同的悬臂回转角度α对应了不同的层高H，使用QL6000.55型斗轮取料机对图4所示的作业料层进行取料作业，则作业期间不同的回转角度α对应的回转速度值如图5所示。需要说明的是：(I)如果使用公式计算出的回转速度值大于45米/分钟，那么将大于45米/分钟的回转速度值赋值为45米/分钟。(II)在不加入塌料可能性算法的情况下，计算得到的易塌料区域的回转速度值较高，即图6中回转角度α∈(-50°，-27°)时上方的速度曲线。(III)在加入塌料可能性算法的情况下，当计算得知斜率角超过阈值时，塌料可能性算法发挥作用，此时的回转速度值较低，即图5中回转角度α∈(-50°，-27°)时下方的速度曲线。

综上所述，采用现场某料堆数据进行实验，本次实验结果显示，在物料斜率角θ的绝对值超过阈值后，预防塌料算法能够适当降低回转速度，如果斗轮的驱动装置为变频器控制的电动机，在降低回转速度的同时亦可适当降低斗轮体的转速，起到预防塌料的作用，具体参见图5中回转角度α∈(-50°，-27°)区间的回转速度的变化。

本发明的技术方案，已在华能曹妃甸港务公司QL6000.55型斗轮取料机的全自动无人化作业系统的作业过程中，进行了测试，取得了预期的安全效果。本方法不仅适用于人工操作的取料作业，更加适用于全自动化的取料作业。尤其在未来的5～10年，国内大部分港口、电厂等企业主在响应国家产业政策及相差环保要求的前提下，将进行散料场及场内设备的数字化升级改造，在这种趋势下，堆取料机的全自动作业技术将越来越受到业主的青睐。但料场业主对于全自动化作业技术的担忧，主要集中在全自动作业的安全性是否可靠。本次申请阐述的一种防止塌料的方法，保证了取料机与物料之间的安全作业关系，这对于全自动取料作业技术的推广将大有裨益，具备良好的综合经济效果。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种取料作业过程中的防止塌料的方法，其特征在于，包括：

根据悬臂回转角度和当前作业物料层的层厚计算悬臂基础回转速度，其中所述悬臂回转角度根据斗轮机的三维坐标以及物料的点云坐标获取，所述当前作业物料层的层厚根据所述悬臂回转角度以及斗轮机的三维坐标获取，所述当前作业物料层的层厚根据以下步骤获取：

确定料堆所分层数，

确定当前作业层，

根据斗轮机的三维坐标中的长度坐标和宽度坐标确定物料三维点云坐标中对应于上述长度坐标和宽度坐标的物料点的三维坐标，

将物料点的三维坐标中的高度坐标与当前作业层的高度下限做差，获取当前作业物料层的层厚；

根据物料堆点云坐标计算塌料可能性，所述塌料可能性由斗轮取料面宽度坐标一定时，最高点和最低点连线的斜率角表征，所述斜率角根据以下步骤获取：

获取斗轮取料面的三维点云坐标，

确定执行宽度坐标Y，提取在执行宽度坐标Y下斗轮取料面高度值最小点的坐标A(X₁，Y，Z₁)和斗轮取料面高度值最大点的坐标C(X_C，Y，Z_C)；

在执行宽度坐标Y下，长度坐标范围X₁～X_C+L内检索高度值最大点的坐标B(X₂，Y，Z₂)，其中L为安全作业距离，

计算A(X₁，Y，Z₁)、B(X₂，Y，Z₂)两点连线的斜率角；

根据所述斜率角与判断阈值的比较结果，对所述悬臂基础回转速度进行调节以实现实际悬臂回转速度的降低。

2.根据权利要求1所述的取料作业过程中的防止塌料的方法，其特征在于，所述对所述悬臂基础回转速度进行调节，具体为利用比例控制方式对所述悬臂基础回转速度进行调节，从而获取实际悬臂回转速度。

3.根据权利要求1所述的取料作业过程中的防止塌料的方法，其特征在于，所述悬臂基础回转速度根据以下计算获得：

其中，V_α是悬臂回转速度，Q是设定的流量，C是走行机构的进尺量，H是当前作业物料层的层厚，ρ是物料的密度，α是回转角度。

4.根据权利要求3所述的取料作业过程中的防止塌料的方法，其特征在于，所述实际悬臂回转速度根据以下计算获得：

V_α′＝k′V_α

其中V_α′是实际悬臂回转速度，V_α是悬臂回转速度，k′是回转速度的调整系数，k′＞0。

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